Панов В.К. Физические основы теплотехники. Ч. I: Термодинамика

Подождите немного. Документ загружается.

§ 35. Двигатели внутреннего сгорания 133

очная масса жидкого то-

плива заправляе , помещает-

ся в ем

двигателестроения можно

и построил свой первый ДВС

эт ь ет, чтобы довести двигатель до

ия. Начало этому положили ус-

ь стал четырехтактным, однако

годился лишь для стационар-

81 г. технический директор

конструкцию для работы

е десятилетия главной силовой

топлива Даймлер объездил

е р л еперегонный завод. Нефть перего-

ня на, а получавшийся при этом

бензин ался.

Только 1902 г. в России его о 70 тыс. т [8].

термодинамический

цикл

К достоинствам ДВС нужно отнести возможность ис-

пользования жидких топлив. Газообразные топлива тоже го-

дятся, но их плотность при обычных условиях примерно в ты-

сячу раз меньше, чем у жидких. Для применения их в транс-

порте приходится использовать тяжелые толстостенные бал-

лоны, в которых газ содержится при давлении 100–150 бар.

Обычный сорокалитровый баллон, которым пользуются газо-

сварщики, имеет массу 70–80 кг, и таких для среднего автомо-

биля нужно 3–4. В то же время достат

, мого при

атмосферном давлении

кости массой всего несколько килограммов.

Выделяют два основных термодинамических цикла дви-

гателей внутреннего сгорания, получивших названия от своих

разработчиков. Это цикл с изохорным подводом тепла — цикл

Отто и цикл с изобарным подводом — цикл Дизеля. Немало

интересного об истории развития

прочесть в работе [3].

35.1. Цикл Отто

Николаус Август Отто сконструировал

в 1862 г. После ого потребовалос еще 15 л

промышленного производства и использован

пешные испытания 9 мая 1876 года. Двигател

был тихоходным, тяжелым, работал на газе и

ного использования. Только после того как в 18

завода Отто Готтлиб Даймлер усовершенствовал

на жидком топливе, двигатель стал на долги

установкой для транспортного применения.

Любопытно, что в поисках подходящего

Россию, где в то вре жмя у абота нефт

лась для получения осветительного кероси

из-за взрывоопасности не находил применения и попросту сжиг

в было сожжено окол

Последовательность процессов и

Отто изображен в

р-v диаграмме на рис. 7.1.

В процессе

а –1 цилиндр наполняется рабочим телом —

топливовоздушной смесью, которая приготавливается в кар-

бюраторе или его современном аналоге. Это устройство для

работы двигателя необходимо потому, что:

− топливо в жидком виде не горит — для сжигания его

нужно превратить в пар;

§ 35. Двигатели внутреннего сгорания 134

−

духа) в определенно

вуют примерно атмо-

ферным условиям, то в состоянии

2 параметры заметно вы-

: давление 10–15 бар, температура 400–500 °С.

Как известно из химии, скорость реакций зовой фазе с увеличе-

ием температуры стремительно растет, подчиняя закону Аррениуса:

имерно в

р з! Кроме того, скорость газофазных реакц висит степенным обра-

зом о давления компонентов:

х.р

~ р

где n – порядо аствующих в

столкновении, реа . В осте

2Н О

= 2Н

две молекулы водорода сталкив тся с одной молекулой кислорода. По-

рядок

давление влияет еще сильнее.

ри обычных для точки 2 па метрах скорость реак-

ции оч о ско

горение есть реакция окисления, поэтому пары топлива

должны быть смешаны с окислителем (кислородом воз-

м соотношении.

В процессе

1–2 газ подвергается сжатию, быстрому на-

столько, чтобы считать его адиабатным. В таком процессе

температура и давление газа растут (см. § 18). Если давление и

температура в состоянии

1 соответст

ше

в га

н сь

х.р

~ exp(–E

/(R

T)).

В упомянутом интервале скорость реакций изменится пр

а ий за

к реакции, т. е. число молекул, одновременно уч

приводящем к кции пр йшей реакции

аю

реакции – 3. Увеличение давления в такой реакции с 1 до 10 бар

приводит к росту ее скорости в 1000 раз. Реакции горения органических

топлив имеют порядок больше 3, значит,

П ра

ень велика. Достаточно микроск пиче й по мощ-

ности электрической искры в состоянии

2, чтобы смесь бы-

стро сгорела. Это происходит вблизи верхней мертвой точ-

ки. Процесс горения смеси

2–3 с выделением тепла Q

бли-

зок к изохорному.

Рис. 7.1. Цикл Отто:

а – индикаторная диа-

грамма; б – термоди-

намический цикл

Q = 0

§ 35. Двигатели внутреннего сгорания 135

, можно судить, сравнив длитель-

и паспортной степени сжатия 8,5 объ-

ещается сжатая смесь в верхней мерт-

цилиндра диа-

см. Он же имеет клиновидную

той стороны которой распола-

роходимое

ым 5 см.

сях сильно зависит

ычно не велика — десятки мет-

от вала вызывает измене-

ставит 2%. Примерно

с такой точностью процесс 2–3 можно считать изохорным.

В изохорном процессе (см. § 16) увеличение температу-

ры и давления происходит до тех пор, пока подводится тепло.

Точка

3 соответствует окончанию горения, и ее параметры,

таким образом, определяются количеством подведенного теп-

ла (количеством сгоревшего топлива).

Процесс

3–4, адиабатное расширение продуктов сгора-

ния — основной рабочий ход поршня. В нем газ уже без под-

вода тепла производит как раз ту работу, которую мы рассчи-

тываем получить от двигателя. При адиабатном расширении

температура и давление газа уменьшаются, поскольку газ рас-

ходует свою внутреннюю энергию на совершение работы про-

тив внешних сил.

Состояние

4 соответствует нижней мертвой точке: от-

крывается выпускной клапан, бóльшая часть продуктов сгора-

ния покидает цилиндр, а с ними отводится тепло

. Давление

в точке

4 существенно выше атмосферного — не менее чем

на 1÷2 бар, температура — 500÷600 °С. В таких условиях

скорость истечения продуктов через выпускной клапан бу-

дет близка к звуковой — около 600 м/с (поэтому ездить без

глушителя, мягко говоря, неприлично). Длительность вы-

пуска газов примерно такая же, как время сгорания смеси.

Насколько процесс 2–3 изохорный

ность процесса горения со временем нахождения поршня вблизи верхней

мертвой точки. Сделаю оценки на примере автомобиля «Нива».

Диаметр цилиндра – 7,9 см. Пр

ем камеры сгорания V , в котором пом

вой точке, составит 69 см

. Если бы этот объем имел форму

метром 7,9 см, то его высота составила бы 1,4

лсформу наподобие усеченной таблетки, с то

гается свеча. Поэтому приму для оценок среднее расстояние, п

фронтом горения за время сгорания порции смеси, примерно равн

Скорость распространения пламени в газовых сме

от их состава и начальных параметров и об

ров в секунду [6, 11]. Пусть это будет 50 м/с. Тогда время горения соста-

вит 5 см /50 (м/с) = 10

–3

с. При обычной езде по трассе частота вращения ва-

ла двигателя – 3000 об/мин. За 10

–3

с угол поворота составит 18°, т. е. ± 9

относительно верхней мертвой точки. Такой повор

ние положения поршня, соответствующее изменению объема V

на 7%. Ин

ивать угол опережениструкцией по эксплуатации рекомендовано устанавл

зажигания 5°. В этом случае изменение объема V

со

§ 35. Двигатели внутреннего сгорания 136

Поэтому процесс 4–1 с т чностью, как и 2–3, мо-

жет считаться из пуск газов про-

исходит при обра цессы

а–1 и 4–а

изображены (рис. 7.1,

а) пунктиром (условно), потому что в

них количество вещества меняется.

Главный интер с точки зрения техни-

ческой

акой же то

охорным. Окончательный вы

тном ходе поршня

4–а. Про

ес к любому циклу

термодинамики вызывает вопрос о КПД.

Для любого цикла

−

В цикле Отто теплообмен происходит в изохорных

процессах, поэтому

= с

m(T

– T

), (7.1)

= с

m(T

– T

), (7.2)

)(

TTmс

−

−=

. (7.3)

Считая теплоемкость в первом приближении не завися-

щей от температуры, последнее выражение приведем к виду

)1/(

−

−=

. (7.4)

Используем уравнения адиабатного процесса (

k –1

= T

k –1

4.24)

(7.5)

k –1

. T

4 3

(7.6)

Разделив (7.6) на (7.5) и учтя, что V

= V

, V

= V

, полу-

чим: Т

/Т

= Т

/Т

. Значит, первая дробь в (7.4) равна 1.

Далее из уравнения (7.5) следует, что

/Т

= (V

)

k –1

. (7.7)

Отношение

= V

называют степенью сжатия. Это

конструктивная характеристика двигателя, равная отношению

объема цилиндра к объему камеры сгорания. С учетом этого

из (7.4) получается выражение

k –1

= T

−

−=

. (7.8)

Оно показывает, что КПД цикла Отто определяется

единственным, причем конструктивным, параметром — сте-

пенью сжатия и совсем немного (через k) зависит от того, ка-

кой газ будет рабочим телом. Чем больше степень сжатия, тем

§ 35. Двигатели внутреннего сгорания 137

бόльш

менен е тогда будет проходить не в нормаль-

ном р ю распространения пламени в десятки

учивший впослед-

им будет и КПД. Это очень привлекательно, потому что,

изменяя размеры цилиндра и камеры сгорания, мы можем сде-

лать степень сжатия сколь угодно большой, а значит, и КПД

приблизить к 100%. Но всякая палка о двух концах.

В цилиндр двигателя Отто подается заранее приготов-

ленная топливовоздушная смесь. Это важное достоинство

конструкции, но оно же порождает ограничение на степень

сжатия. Обычно в современных автомобильных карбюратор-

ных двигателях ε = 8 ÷ 12. Легко подсчитать по (7.8), что при

ε = 10 с воздухом в качестве рабочего тела КПД составит 60%.

Это, конечно, весьма немало, но надо понимать, что это толь-

ко термический КПД цикла, а КПД всего двигателя, не говоря

уже об автомобиле в целом, будет гораздо меньше. Поэтому

хотелось бы сделать степень сжатия как можно больше.

Однако увеличение степени сжатия влечет за собой рост

параметров состояния 2 и, как следствие, стремительное уве-

личение скорости реакций. Это может привести к самовоспла-

ию смеси. Горени

ежиме со скорость

м/с, а в детонационном. В этом режиме фронт горения являет-

ся фронтом ударной волны, в котором давление скачкообразно

возрастает в десятки раз. Скорость движения фронта детонаци-

онного горения составляет 2000–3000 м/с. Такие резкие нагруз-

ки вредны для двигателя, поэтому для обеспечения прочности

пришлось бы сильно утяжелять конструкцию. Кроме того, мо-

мент самовоспламенения неконтролируем, и любое изменение

внешних условий привело бы к неустойчивой работе двигателя.

Поэтому самовоспламенение должно быть исключено.

Для повышения эффективности двигателей разрабаты-

ваются самые разные способы. Одно из направлений — разра-

ботка топлив, пары которых допускали бы бóльшую степень

сжатия без детонации, и присадок ним. Антидетонационная

стойкость топлива выражается его октановым числом.

35.2. Цикл Дизеля

Радикальное решение, приведшее к росту КПД цикла,

пришло Рудольфу Дизелю. Двигатель, пол

ствии его имя, был запатентован в 1892 г., а первый опытный

образец заработал в 1893 г.

§ 35 горания . Двигатели внутреннего с13

ред подачей ее в

рис. 7.2) в цилиндр подается и под-

вер се 1–2 чистый воздух, а он не дето-

ниру .

Из-за этого появляется воз-

можность повысить степень сжатия,

и если в этом цикле она играет та-

кую же роль, то и КПД. Современ-

ные дизельные двигатели отличают-

ся большим разнообразием конст-

рукций и параметров в зависимости

рано или

поздн

о-

этому

ние обеспечить бесперебой-

ва. Сравнив

ичных процессов-стадий.

ред подачей ее в

рис. 7.2) в цилиндр подается и под-

вер се 1–2 чистый воздух, а он не дето-

ниру .

Из-за этого появляется воз-

можность повысить степень сжатия,

и если в этом цикле она играет та-

кую же роль, то и КПД. Современ-

ные дизельные двигатели отличают-

ся большим разнообразием конст-

рукций и параметров в зависимости

рано или

поздн

о-

этому

ние обеспечить бесперебой-

ва. Сравнив

ичных процессов-стадий.

цилиндр. В цикле Дизеля (

гается сжатию в процес

ет, сколько его ни дави

цилиндр. В цикле Дизеля (

гается сжатию в процес

ет, сколько его ни дави

В цикле Отто, как уже говорилось, ограничение степени

сжатия, а поэтому и КПД — это следствие предварительного

приготовления топливовоздушной смеси пе

е говорилось, ограничение степени

сжатия, а поэтому и КПД — это следствие предварительного

приготовления топливовоздушной смеси пе

от их назначения. Но чаще всего

степень сжатия в них – 17 ÷20.

Рассмотрим далее процессы

цикла. Если параметры точки 1 со-

ответствуют атмосферным, то при ε = 20 в точке 2 давление

воздуха превысит 60 бар, температура – 700 °С. Но

от их назначения. Но чаще всего

степень сжатия в них – 17 ÷20.

Рассмотрим далее процессы

цикла. Если параметры точки 1 со-

ответствуют атмосферным, то при ε = 20 в точке 2 давление

воздуха превысит 60 бар, температура – 700 °С. Но

о в цилиндр нужно подавать топливо. Для впрыска топ-

лива в цилиндр его давление должно быть больше 60 бар. П

о в цилиндр нужно подавать топливо. Для впрыска топ-

лива в цилиндр его давление должно быть больше 60 бар. П

необходим топливный насос высокого давления

(ТНВД). Карбюраторный двигатель без топливного насоса

может обойтись. Его назначе

необходим топливный насос высокого давления

(ТНВД). Карбюраторный двигатель без топливного насоса

может обойтись. Его назначе —

исимо от

—

исимо от

ную подачу топлива незав наклона автомобиля при

движении и расположения топливного бака.

ную подачу топлива незав наклона автомобиля при

движении и расположения топливного бака.

Процесс 2–3 — это впрыск и горение топлиПроцесс 2–3 — это впрыск и горение топли

рис. 7.2 и 7.1, можно заметить различие циклов только в про-

цессе 2–3. В одном случае он изохорный, в другом — изо-

барный. Обсудим, с чем это связано.

рис. 7.2 и 7.1, можно заметить различие циклов только в про-

цессе 2–3. В одном случае он изохорный, в другом — изо-

барный. Обсудим, с чем это связано.

Топливо впрыскивается в жидком виде при атмосферной

температуре. Как уже упоминалось, в таком виде оно не горит.

Процесс образования горючей смеси происходит непосредст-

венно в цилиндре, а это требует времени хотя бы уже потому,

что порция топлива попадает в цилиндр не вся сразу и мгно-

венно, а за конечное время. В смесеобразовании можно выде-

лить несколько разл

Топливо впрыскивается в жидком виде при атмосферной

температуре. Как уже упоминалось, в таком виде оно не горит.

Процесс образования горючей смеси происходит непосредст-

венно в цилиндре, а это требует времени хотя бы уже потому,

что порция топлива попадает в цилиндр не вся сразу и мгно-

венно, а за конечное время. В смесеобразовании можно выде-

лить несколько разл

Q = 0

Рис. 7.2. Цикл Дизеля

§ 35. Двигатели внутреннего сгорания 139

да) шту

ются.

ирует в обратном на-

Во-первых, жидкое топливо надо испарить. Этот про-

цесс происходит на поверхности жидкости. Для быстрого ис-

парения порцию топлива надо раздробить на множество мел-

ких капель, чтобы их суммарная поверхность была большой.

Пример. Дизельное топливо имеет плотность 830÷875 кг/м

. Это зна-

чит, что 1 г топлива занимает объем 1,2÷1,1 см

. Если это одна капля, диаметр

ее составит 1,32 см, площадь поверхности S = πd

= 5,46 см

. При распылива-

нии этого грамма на капли размером, например, 10 микрон (d = 10

–3

см), объе-

мом V= πd

/6 = 0,52·10

–9

см

, их получится 2,3·10

(два с лишним миллиар

к. Общая поверхность составит в результате 7250 см

, т. е. вырастет

примерно в 1300 раз.

Для распыливания используют форсунки. При всем раз-

нообразии конструкций их основа едина — тонкое отверстие и

огромный, в десятки бар, перепад давления. Поэтому ТНВД

должен создавать давление гораздо большее, чем у воздуха в

цилиндре в конце сжатия.

Во-вторых, капли, попав в горячий воздух, прогревают-

ся от поверхности внутрь и одновременно испаря

В-третьих, для горения пары топлива должны переме-

шаться с воздухом в определенном соотношении. Пары диф-

фундируют от поверхности, где их концентрация максималь-

на, в окружающий воздух. Концентрация при этом убывает,

температура растет. Воздух диффунд

правлении – к поверхности капли. Взаимодействие этих по-

токов приводит к тому, что на некотором расстоянии от по-

верхности капли образуется зона, в которой условия благо-

приятны для горения. Здесь оно и происходит в результате

самовоспламенения смеси.

К этому сценарию стоит добавить, что капли никогда

не получаются одинакового размера. Большинство капель,

конечно, имеют не оторый средний размер, и на него можно

повлиять конструкцией форсунки и перепадом давления. Но

всегда образуются капли более мелкие, чем средний размер,

и более крупные. Естественно, что мелкие капли сгорят

раньше, чем большинство средних, а крупные позже.

Ввиду перечисленных причин время сгорания порции

топлива в цикле Дизеля гораздо больше, чем в цикле Отто.

Перемещением поршня за это время пренебречь нельзя, по-

скольку объем газа за время горения увеличивается на десятки

процентов, а то и в разы.

§ 35. Двигатели внутреннего сгорания 140

водит йшее расширение происходит адиа-

батно это процесс 3–4

Проделав выкладки аналогичные (7.1) – (7.7) с учетом

того,

я:

Давление в процессе 2–3 остается примерно постоянным

потому, что одновременно действуют две противоположные

тенденции. Одна — это расширение, которое стремится

уменьшить давление. Другая — тепловыделение, которое

стремится давление повысить. В рез

ние, и

ультате, пока идет горе-

льше не под-

зменение давления малó и им можно пренебречь, считая

подвод тепла изобарным. Отсюда и второе название цикла.

закончилось, тепло боВ точке 3 горение

ся, поэтому дальне

— .

что процесс 2–3 теперь изобарный, получим выражение

для КПД цикла Дизел

−

ερ

111 −

−=

десь

= v

– степень предвари

Из формулы (7.9) видно, что степень сжатия в этом

цикле

ь-

ше единицы (1,53 2,4). Это обстоятельство

за множителя 1/k состав продуктов сго

цикле

нужн оговорить усло

ние. Он

ателей:

мощн ть и другие, в том

числе на изделия. С

крите

. (7.9)

З тельного расширения.

так же влияет на КПД, как и в цикле Отто: с ее увеличе-

нием КПД растет. Дробь (

– 1)/(

– 1) при

= 1,5÷2,5 бол

÷ снижает КПД. Из-

рания имеет в этом

несколько большее значение, чем в цикле Отто.

равним достоС инства и недостатки двух циклов. Но

о вия, при которых производится сравне-

разны и. Поми о т кого и могут быть м м ермодинамичес

совершенства (экономичности), инженеров-эксплуатационников

интересует еще множество других характеристик двиг

ость, крутящий момент, приемистос

це равнение и выбор по любому из этих

риев (или их набору) определяется в конечном счете на-

значением двигателя. В курсе термодинамики остановимся на

сравнении КПД.

От

= cons

v = cons

Рис.7.3. Сравнение циклов

при одинаковой степени

сжатия

§ 35. Двигатели внутреннего сгорания 141

циклу От-

то. Ос

давле-

нии ( авторы [5] считают такой вариант

сравн

143211 −−−−−

1. При одинаковой степени сжатия: ε = idem (рис. 7.3).

Формально это соответствовало бы случаю, когда один и тот

же двигатель может работать либо по одному, либо по друго-

му циклу. В этом случае цикл Дизеля проигрывает

обенности процесса смесеобразования и горения приво-

дят к появлению в формуле (7.9) дроби, содержащей ρ, кото-

рая уменьшает значение КПД. В свою очередь, диаграмма Т-s

(рис.7.3) показывает, что при таком условии сравнения сред-

няя температура подвода тепла в цикле Дизеля меньше, а

именно она оказывает наибольшее влияние на КПД циклов

всех тепловых машин (см. § 25). Но напомню, что отсутствие

опасности детонации – главное достоинство дизельных дви-

гателей – позволяет делать в них степень сжатия существен-

но большей. Поэтому рассмотрим другой вариант сравнения.

2. При одинаковой максимальной температуре цикла.

В обоих циклах она

достигается по оконча-

нии горения, в точке 3

(рис. 7.4). Такое усло-

вие означает, что оба

цикла осуществляются

между одной и той же

парой источников теп-

ла. В диаграмме Т-s

изобары имеют мень-

ший наклон, чем изохоры, поэтому линия 2

–3 располагается

выше линии 2

От

–3. Здесь удобно ввиду наглядности использо-

вать м эквивалентным

От

v = cons

= const

Рис.7.4. Сравнение циклов при одинаковой

максимальной темпе

ат

ур

етод сравнения с циклом Карно (см. § 27),

который осуществляется в том же диапазоне температур Т

– Т

На диаграмме он изображен пунктирным прямоугольником.

Из сравнения площадей видно, что степень заполнения цикла

Карно выше у цикла Дизеля, а значит, и КПД больше.

3. При одинаковой работе цикла и максимальном

рис. 7.5). Некоторые

ения наиболее оправданным. Равенство l

, в частности,

означает одинаковые площади циклов в Т–s диаграмме:

4321

ДДДОтОтОт

−−−

= SS

. (7.10)

§ 35 орания. Двигатели внутреннего сг14

, что в Т-s диаграмме площадь

под к

У этих фигур есть общая площадь – незаштрихованная.

Поэтому равнество (7.10) означает равенство площадей за-

штрихованных фигур.

Проанализируем построен-

ные таким образом циклы. Напом-

ню

ривой процесса численно рав-

на теплу процесса. В цикле Отто

отведенное тепло q

От

, равное пло-

щади под кривой 4

От

–1, больше те-

пла q

, отведенного в цикле Дизеля

и равного площади под кривой 4

–1:

От

−

⇒ q

От

> q

. (7.11)

авнения

⇒ q

От

– q

= q

От

– q

⇒ (7.1

Тогда по условию ср

= q

От

– q

От

= q

– q

1) ⇒

⇒ q

От

– q

> 0

Это означает, что и

й нет. Высокие

⇒ q

От

– q

>0.

подведенное тепло q

в цикле Отто

больше. Тогда, по определению КПД

= l

циклу Отто

будет соответствовать меньшее значение.

В целом можно сказать, что цикл Дизеля более эконо-

мичный. Но подчеркну: речь идет именно о термодинамиче-

ском цикле, а не о двигателе в целом. КПД реально о дизель-

ного двигателя будет, конечно, меньше термического КПД

цикла, поскольку помимо потерь, свойственных всем двигате-

лям, у дизельного часть «полезной» мощности необходимо

тратить на привод ТНВД.

Из других характеристик упомяну частоту вращения ва-

ла. Дизельным двигателям в целом свойственна малообороти-

стость — сравнительно невысокая частота вращения вала. Для

применения в легковом автотранспорте это некоторый недос-

таток, поскольку ухудшаются показатели маневренности ав-

томобиля. Зато для применения в тяжелой технике — дорож-

ной, строительной, военной и других, где высокие скорости не

требуются, – это вполне положительное качество. Ведь при

одной и той же мощности низкие обороты означают бóльший

крутящий момент. Особенно широкое применение дизельные

двигатели получили в судостроении. Экономичность здесь

важна потому, что в море заправочных станци

От

= cons

v = const

Рис. 7.5. Сравнение циклов

при одинаковой работе цикла

и максимальном давлении